eJournals Kolloquium Straßenbau in der Praxis 2/1

Kolloquium Straßenbau in der Praxis
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expert Verlag Tübingen
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2021
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Erfassung von Straßenumgebung und -oberfläche mit einem neuartigen multimodalen Messsystem

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2021
Alexander Reiterer
Philipp von Olshausen
Moritz Roetner
Christian Koch
Carsten Frey
Björn Hemsath
Die Dokumentation von Verkehrsinfrastruktur und die Erfassung ihres aktuellen Zustandes gewinnen zunehmend an Bedeutung. Der zunehmende Verkehr macht ein regelmäßiges Prüfen des Zustandes der Straßen und entsprechender Ingenieurbauwerke unabdingbar. Zusätzlich werden durch die Komplexität moderner Bauvorhaben digitale Planungs- und Bauprozesse notwendig – die Planungsgrundlagen dafür müssen möglichst schnell und effizient erzeugt werden. Manuelle Zustandserfassung oder die manuelle Dokumentation der 3D-Geometrie der Straßenumgebung sind keine praxistauglichen Ansätze. Daher werden bereits seit einigen Jahren spezielle Messfahrzeuge für die Erfassung der entsprechenden Messgrößen eingesetzt. Der vorliegende Beitrag stellt ein neuartiges Messfahrzeug vor, welches auf der modularen Systemplattform MUM des Fraunhofer-Instituts für Physikalische Messtechnik basiert.
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2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 533 Erfassung von Straßenumgebung und -oberfläche mit einem neuartigen multimodalen Messsystem Prof. Dr. Alexander Reiterer Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM, Freiburg, Deutschland Institut für Nachhaltige Technische Systeme INATECH, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Deutschland Dr. Philipp von Olshausen Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM, Freiburg, Deutschland Moritz Roetner Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM, Freiburg, Deutschland Christian Koch Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM, Freiburg, Deutschland Carsten Frey Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM, Freiburg, Deutschland Björn Hemsath Oßwald GmbH, Nürnberg, Deutschland Zusammenfassung Die Dokumentation von Verkehrsinfrastruktur und die Erfassung ihres aktuellen Zustandes gewinnen zunehmend an Bedeutung. Der zunehmende Verkehr macht ein regelmäßiges Prüfen des Zustandes der Straßen und entsprechender Ingenieurbauwerke unabdingbar. Zusätzlich werden durch die Komplexität moderner Bauvorhaben digitale Planungs- und Bauprozesse notwendig - die Planungsgrundlagen dafür müssen möglichst schnell und effizient erzeugt werden. Manuelle Zustandserfassung oder die manuelle Dokumentation der 3D-Geometrie der Straßenumgebung sind keine praxistauglichen Ansätze. Daher werden bereits seit einigen Jahren spezielle Messfahrzeuge für die Erfassung der entsprechenden Messgrößen eingesetzt. Der vorliegende Beitrag stellt ein neuartiges Messfahrzeug vor, welches auf der modularen Systemplattform MUM des Fraunhofer-Instituts für Physikalische Messtechnik basiert. 1. Einleitung Die Digitalisierung unserer Umwelt gewinnt zunehmend an Bedeutung: Digitale Abbilder der Realität sind die Basis für Planungsprozesse oder (prädiktive) Instandhaltung zum Beispiel von Infrastruktur. Die Digitalisierung beginnt dabei immer mit der Erfassung relevanter Daten und der Ableitung entsprechender Parameter, um Objekte digital rekonstruieren (z. B. für den digitalen Zwilling) oder ihren Zustand möglichst schnell und effizient beurteilen zu können. 3D-Daten von Gleisen, Straßen, Brücken oder Gebäuden sind eine wertvolle Grundlage für die Instandhaltung. Aber nicht nur einzelne Objekte, sondern auch große Landstriche lassen sich inzwischen mithilfe mobiler Laserscanner und Kameras effizient erfassen. Mit dem Grad der Digitalisierung steigen die Datenmengen rapide an: Bei der Erfassung von nur einem Kilometer Straße entstehen mehrere Gigabyte an Daten. Diese zu verwalten, stellt viele Unternehmen vor große Herausforderungen. Dabei sind zumeist nicht die Rohdaten interessant, sondern vielmehr deren Interpretation - im Fall der Straße also Parameter wie die Querebenheit oder die Rissdichte. Fraunhofer IPM hat für die Oßwald GmbH ein maßgeschneidertes Messfahrzeug mit entsprechender Auswertesoftware entwickelt, um flexibel einen Großteil der notwendigen Straßeninfrastrukturdaten erfassen und bewerten zu können. Dabei werden der Straßenzustand und die Umgebung gleichermaßen berücksichtigt. Erfassung von Straßenumgebung und -oberfläche mit einem neuartigen multimodalen Messsystem 534 2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 2. Messfahrzeug im Detail 2.1 Allgemeines Die Basis für das Messfahrzeug bildet das modulare Systemkonzept „Mobile Urban Mapper MUM“ [1] des Fraunhofer IPM. Dieses Baukastensystem erlaubt es, Sensoren beliebig zu kombinieren und über eine entsprechende zeitliche und räumliche Synchronisierung einheitliche Datenströme zu erzeugen. In den nachfolgenden Abschnitten werden die einzelnen Systemaufgaben beschrieben. Abbildung 1: Messfahrzeug von hinten mit dem Sensoraufbau im oberen Bereich und den LEDs für die Ausleuchtung der Straße im unteren Bereich. Abbildung 2: Messfahrzeug von vorne mit Sensoraufbau im oberen Bereich. Nicht sichtbar ist das System für die Erfassung der Längsebenheit unterhalb des Fahrzeuges. 2.2 Erfassung der Straßenoberfläche Die Zustandserfassung der Bundesfernstraßen und nahezu aller Landesstraßen erfolgt regelmäßig alle vier Jahre. Es müssen dabei folgende Merkmale erhoben werden: a. Ebenheit in Längs- und Querrichtung, b. die vorhandene Griffigkeit und c. die Substanzmerkmale der Oberfläche (Risse, Flickstellen etc.). Die Erfassung erfolgt berührungslos durch mobile Messsysteme (Ausnahme Griffigkeit). Die Erfassung der Querebenheit erfolgt gemäß der aktuellen Technischen Prüfvorschrift (TP) Ebenheit, Teil berührungslose Messungen aus dem Jahr 2009 [2]. Anforderungen an das Messsystem umfassen: Messbreite auf Bundesautobahnen von 3,20 m (Bundesstraßen 3,00 m), Punktabstand im Querprofil von 10 cm und eine Punktgenauigkeit der Einzelmessung von 0,2 mm. Diese Anforderungen haben zur Folge, dass bislang für die Erfassung der Querebenheit immer ein Querbalken (Breite mindestens 3,30 m) mit Einzellasern eingesetzt werden muss. Damit behindert das Fahrzeug den fließenden Verkehr (Überbreite) und macht eine Erfassung in Kommunen und im nachgeordneten Netz nahezu unmöglich. Des Weiteren kann mit den existierenden Systemen nie die gesamte Fahrstreifenbreite (3,20 bis 3,50 m) erfasst werden. Auf noch breitere Messbalken wurde aber aus Gründen der Verkehrssicherheit und der Wirtschaftlichkeit (Anzahl der Einzellaser) verzichtet. Alternative Erfassungssysteme sind seit 2009 zulässig. Das hier präsentierte Messfahrzeug setzt auf den Pavement Profile Scanner PPS des Fraunhofer IPM für die Erfassung der Querebenheit. Der PPS misst die Entfernung zur Straßenoberfläche zwei Millionen Mal pro Sekunde. Dabei bewegt ein schnell drehender Spiegel den Laserstrahl 800 Mal pro Sekunde über die Straße, um dabei jeweils ein Querprofil mit 1.800 Messpunkten aufzunehmen. Der Scanwinkel beträgt 70°; die Montagehöhe des Scanners bestimmt daher die maximale Breite der gescannten Fläche (Fahrbahn). Aus optischer Sicht ist die Straßenoberfläche leider kein besonders “kooperatives“ Ziel. Teilweise ist der Straßenbelag sehr dunkel (schwarz) und damit wenig reflektierend; Seiten- oder Mittelstreifen hingegen sind sehr helle und stark reflektierende Objekte. Alle Sensoren (insbesondere aber auch das System für die Querebenheit) müssen daher mit einem relativ großen Dynamikbereich zurechtkommen. Die Anforderungen an die Genauigkeit sind zudem sehr hoch: Die Querebenheitsmessung muss mit einer Messunsicherheit deutlich unter einem Millimeter durchgeführt werden. Für die Sensorik bedeutet dies, dass die Messungen im Zehntel-Millimeter-Bereich erfolgen müssen. Für die Erfassung der Längsebenheit sind an einem Längsmessbalken, der auf der Unterseite des Fahrzeuges in der rechten Rollspur montiert ist, vier Triangulationssensoren angebracht. Diese sind an den Positionen 0 cm, 10 cm, 100 cm und 200 cm (von vorne nach hinten) auf einer geraden Linie entlang der Fahrtrichtung positioniert. Jeder Sensor misst die Distanz zur Straßenoberflä- Erfassung von Straßenumgebung und -oberfläche mit einem neuartigen multimodalen Messsystem 2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 535 che mit einer Frequenz von 4 kHz und einer Auflösung von mindestens 0,05 mm. Da die Sensoren auf der Fahrzeugunterseite montiert sind, können hier Laser der Laserklasse 3 verwendet werden, ohne die Augensicherheit umgebender Passanten zu gefährden. Dies ermöglicht die hohe Abtastrate, selbst bei starker, seitlicher Sonneneinstrahlung. Die so erfassten Messdaten ermöglichen eine Analyse der Längsebenheit nach dem Prinzip der Mehrfachabtastung (HRM - High Speed Road Monitoring) [3]. Neben den hohen Anforderungen an die Messgenauigkeit spielt die Geschwindigkeit, mit der sich das Messfahrzeug bewegen darf, eine herausragende Rolle. Für die Erfassung der Straßenoberfläche im fließenden Verkehr sind Geschwindigkeiten von mindestens 80 km/ h gefordert, damit auch der linke Fahrstreifen auf der Autobahn ohne zu große Verkehrsbehinderung gemessen werden kann. Neben den technischen Prüfvorschriften für Ebenheitsmessungen auf Fahrbahnoberflächen sind beim Einsatz von Lasern in öffentlich zugänglichen Bereichen besondere Sicherheitsvorschriften zu beachten. Auch wenn der Fall sehr unwahrscheinlich ist, so könnte der Laserstrahl das Auge eines zufälligen Beobachters treffen. Das Messfahrzeug verwendet daher Laserscanner der Laserklasse 1, was eine uneingeschränkte Nutzung im öffentlichen Raum ermöglicht. Die Lasertriangulationssensoren für die Bestimmung der Längsebenheit sind mit einer speziellen Schutzeinrichtung versehen, sodass trotz Laserklasse 3 keine Personen gefährdet werden können. Für die Erfassung der Substanzmerkmale verfügt das Fahrzeug über zwei Flächenkameras, welche an der Rückseite des Fahrzeugs verbaut sind (auf Dachhöhe). Die Kameras sind von oben, mit leichtem Winkel nach außen geneigt, auf die Straßenoberfläche ausgerichtet (Abbildung 1), sodass sich die Bildbereiche in der Mitte überlappen. Insgesamt wird eine Fahrbahnbreite von 4,5 m von den Kameras erfasst. Um bei Geschwindigkeiten von bis zu 80 km/ h ein scharfes Abbild der Straßenoberfläche zu erhalten, muss die Belichtungszeit extrem gering gehalten werden. Dies wird dadurch ermöglicht, dass sieben LED-Beleuchtungspanele an der unteren Fahrzeugrückseite (Abbildung 1) für eine helle, homogene Ausleuchtung der abzubildenden Oberfläche sorgen. Dies erlaubt eine Belichtungszeit von 50 µs. Bildaufnahme und Beleuchtung werden alle 3 cm getriggert. Die Kameras nehmen Bilder über die volle Breite, jedoch nur 3,6 cm Länge (entlang der Fahrtrichtung) auf. So kann die hohe Bildfrequenz realisiert und die Ausleuchtung muss nur für einen schmalen Streifen optimiert sein. Die Blende der Objektive ist so eingestellt, dass sowohl die Fahrbahnmitte als auch der Außenbereich scharf abgebildet werden. In einem nachgelagerten Verarbeitungsschritt werden die aufgenommenen Bildausschnitte zu Oberflächenbildern von 10 m Länge und 4,5 m Breite verrechnet (s. Abschnitt 3). 2.3 Erfassung der Straßenumgebung Für die Erfassung des Straßenumfelds wird eine Kombination aus Laserscanner und Kameras verwendet. Das System umfasst den High-End-Laserscanner CPS (Clearance Profile Scanner) des Fraunhofer IPM, welcher den Objektabstand im Winkelbereich von 0° - 355° nahezu senkrecht zur Fahrtrichtung misst. Der CPS zeichnet sich durch eine Messfrequenz von 2 Millionen Messpunkten pro Sekunde und eine Scanfrequenz von 200 Hz bei einer Einzelpunktgenauigkeit von ca. 3 mm (Präzision abhängig von der Reflektivität der Objektoberfläche) aus. Um eine bildliche Darstellung der Umgebung zu generieren und zur Texturierung der Punktwolke mit Farbinformationen, werden vier hochauflösende Kameras eingesetzt. Zusätzlich sind zwei Panoramakameras integriert, welche im Postprocessing einen schnellen Überblick über die Gegebenheiten vor Ort ermöglichen. Die vier Kameras erzeugen Bilder mit einer Auflösung von 5 Megapixel, die Panoramabilder haben 30 Megapixel. Alle Kameras können zeit- oder weggesteuert ausgelöst werden - typischerweise werden alle 5 m Bilder erzeugt. 2.4 Weitere Systeme Da die 3D-Messsysteme (Laserscanner) auf einem fahrenden Fahrzeug montiert sind, enthalten diese 3D-Daten zunächst alle Fahrzeugbewegungen wie zum Beispiel Einfederung oder Schwingungen. Diese Bewegungen sind um ein Vielfaches größer als die geforderte Genauigkeit der Ebenheits- oder Umgebungsmessung und müssen daher mit mindestens der gleichen Präzision erfasst und rechnerisch kompensiert werden. Durch Einsatz eines inertialen Messsystems kann eine entsprechende Korrektur (Fahrzeugbewegungen werden von den Messdaten rechnerisch getrennt) der Daten vorgenommen werden. Durch die zusätzliche Verwendung eines GNSS-Systems können die Daten in der Welt referenziert werden. Am Ende liegen präzise Informationen über Fahrbahnunebenheiten in Längs- und Querrichtung vor. Zudem lassen sich 3D-Daten der Umgebung georeferenziert errechnen. Um dem Fahrer die Möglichkeit zu geben, sich auf den Verkehr konzentrieren zu können, wurde eine Spurhaltekamera in das System integriert. Über eine entsprechende Visualisierung wird der Fahrer in einem konstanten Abstand zum Seitenstreifen der Straße geführt. 2.5 Datenmengen Die aufgezeichneten Datenmengen pro Kilometer sind enorm groß, was es bei der Auslegung der Computer-Infrastruktur des Fahrzeugs zu berücksichtigen gilt. Tabelle 1 gibt einen Überblick über die erzeugten Datenmengen der Systemeinheiten. Erfassung von Straßenumgebung und -oberfläche mit einem neuartigen multimodalen Messsystem 536 2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 Systemeinheit GB/ km 4 Längsebenheitslaser 0.02 PPS* 3.3 2 Oberflächenkameras 14.5 CPS* 5.4 4 Umgebungskameras 3.5 2 Panoramakameras 12.1 Tabelle 1: Datenmengen der Systemeinheiten des Messfahrzeugs in Gigabyte pro Kilometer. (* Durchschnittswerte in der Stadt, da die Systeme kontinuierlich und nicht weggetriggert aufzeichnen). 3. Datenauswertung Das Fahrzeug zeichnet Rohdaten auf, welche nach einer Messfahrt mit einer Software nachprozessiert werden müssen. Grundlage für die Verrechnung der Messdaten ist die präzise Trajektorie des Fahrzeugs, welche aus den Daten des GNSS-Systems und der inertialen Messeinheit berechnet wird. 3.1 Bewertung von Straßenoberflächen Für die Analyse der Längsebenheit werden die Messwerte der vier Triangulationssensoren mit den zeitgestempelten Positionsdaten des Fahrzeugs nach dem etablierten HRM-Verfahren, welches auf dem Prinzip der Mehrfachabtastung beruht, verrechnet [3]. Das Ergebnis wird gemäß Teilprojekt 1a (TP1a) der Technischen Prüfvorschrift Ebenheit im Georohdatenformat als XML-Datei exportiert. Dies bildet die Grundlage für die Berechnung relevanter Parameter wie z. B. Allgemeine Unebenheit (AUN), welche den Zustand der Straße bezüglich der Längsebenheit quantifizieren. Die Analyse der Querebenheit geschieht mittels der Daten des PPS und richtet sich nach den Vorgaben des Teilprojekts 1b (TP1b). Hierfür werden auf einer Linie senkrecht zur Fahrtrichtung Höhenwerte im Abstand von 10 cm berechnet. Jeder dieser Höhenwerte stellt den Mittelwert aus allen Messwerten eines 10 cm x 10 cm großen Bereichs dar (ca. 200 Messwerte bei typischen Geschwindigkeiten). Querprofile werden in einem regelmäßigen Abstand von 1 m entlang der Fahrtrichtung berechnet. Das Ergebnis wird gemäß TP1b im Georohdatenformat als XML-Datei exportiert. Dies bildet wiederum die Grundlage für die Berechnung relevanter Parameter wie mittlere Spurrinnentiefe und fiktive Wassertiefe, welche den Zustand der Straße bezüglich der Querebenheit quantifizieren. Für die Bewertung der Straßensubstanz werden Bilder der Oberfläche in Abschnitten von 10 m und mit einer Breite von 4,5 m berechnet. Dies geschieht durch Zusammensetzen der streifenweise aufgenommenen Bilder der Oberflächenkameras. Um alle Einzelbilder fehlerfrei in das finale Bild zu projizieren, fließen zwei Korrekturen ein. Zum einen wird der Winkel der Kameras zur Straße durch die Winkelpositionen der Trajektorie kompensiert. Zudem wird aus den PPS-Daten ein exaktes Bodenmodell erstellt, was zusätzlich die genaue Höhe der Kameras über der Straße zu jedem Zeitpunkt enthält. Abbildung 3 (links) zeigt beispielhaft einen repräsentativen Ausschnitt eines Oberflächenbildes und eine stark vergrößerte Detailsicht eines kleinen Bereichs (rechts), in dem die hohe Auflösung und der hohe Kontrast gut zu erkennen sind. Abbildung 3: 6 m Abschnitt eines Oberflächenbildes einer Straße mit Fahrbahnmarkierungen (links) und stark vergrößerter Ausschnitt zur Darstellung der Details (rechts). 3.2 Analyse von Straßenumgebungen Durch die Verrechnung der Abstandswerte, welche mit dem CPS aufgenommen werden, mit der Trajektorie, lässt sich eine 3D-Punktwolke berechnen. Diese stellt ein realitätsnahes Abbild der Umgebung dar, welches absolut in der Welt referenziert ist und z. B. die Messung von Abständen erlaubt. Der Helligkeitswert jedes einzelnen Punktes (Intensität des Signals) ist ein Maß für die Reflektivität der Oberfläche an diesem Ort. Abbildung 4 zeigt die 3D-Intensitäts-Punktwolke einer Straßenszene. Abbildung 4: 3D-Punktwolke einer Straßenszene erzeugt aus Messdaten des CPS und der Trajektorie.